2.20. Измерительные органы (реле) с двумя входными величинами на интегральных микросхемах

К этой группе ИО относятся реле направления мощности (РНМ) и реле сопротивления (PC), входными величинами которых являются напряжение и ток защищаемого объекта (U_Р и I_Р).

Для построения РНМ на ИМС используется в основном принцип сравнения фаз двух входных величин (U_I и U_II), позволяющий получить большее быстродействие, чем у реле, построенных на сравнении абсолютных значений. Ниже рассмотрены реле серии РМ-11 и РМ-12, выпускаемые ЧЭАЗ вместо индукционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа РМ-10 изготовляются из отдельных транзисторов и ИМС (ОУ). В основу работы реле положена схема сравнения фаз двух синусоидальных напряжений u_1t=k₁U_Pmsin(ωt + φ) и u_2t= k₂I_Pm sinωt, построенная на сопоставлении времени совпадения t_СП однополярных мгновенных значений этих напряжений с заданным временем совпадения (уставкой) t_У, при котором реле должно срабатывать. В §2.18 показано, что значение t_HC определяется сдвигом фаз ψ между сравниваемыми напряжениями.

Параметры элементов схемы подобраны так, чтобы реле начинало действовать, если время совпадения превышает четверть периода промышленной частоты, т. е. если t_СП ≥ t_У. В данном реле это соответствует сдвигу фаз между U_I и U_II, равному 90°.

Особенностью фазосравнивающей схемы реле РМ-10 является разделение ее на две параллельные части – два канала прохождения сигналов сравниваемых напряжений. В одном измеряется время совпадения положительных значений U_I и U_II а в другом отрицательных мгновенных значений этих же напряжений. Такое разделение с последующим суммированием выходных сигналов обоих каналов устраняет влияние апериодической составляющей.

Рассмотрим структурную схему реле, показанную на рис.2.70, а. Напряжение U_Р и ток I_Р от ТТ и ТН поступают на вход блоков 1 и 2, являющихся промежуточными преобразователями напряжения и тока. В блоках 1 и 2 входные сигналы преобразуются в пропорциональные им напряжения U_U = k_UU_P и U_I = k_II_P, а затем напряжение U_U сдвигается по фазе относительно вектора U_P с помощью фазоповоротной схемы на некоторый постоянный угол α, a U_I проходит через фильтр, снижающий уровень высших гармоник. Сдвиг по фазе напряжения U_U относительно U_P обеспечивает получение требуемого угла максимальной чувствительности φ_м.ч и угловой характеристики срабатывания реле. В результате указанных преобразований на выходе блока 1 появляется напряжение U_I, а блока 2 – U_II.

Выходные напряжения и блоков 1 и 2 поступают на блоки 3 и 3' фазосравнивающей схемы (ФСС). Блок 3 выявляет и фиксирует совпадение мгновенных значений U_I, и U_II положительного знака, а блок 3' – тех же напряжений отрицательного знака. В интервале времени совпадения мгновенных значений U_I, и U_II положительной полярности на выходе блока 3 появляется напряжение U_СП+ прямоугольной формы, а при совпадении отрицательных значений такое же по форме и амплитуде напряжение U_СП– появляется на выходе блока 3'(рис.2.70, б).

Каждый из сигналов (U_СП+ и U_СП–) поступает на блоки 4 и 4', которые являются интеграторами. Они выполняются в виде цепей RC4 и RC5 с одинаковыми значениями R и С. По мере заряда конденсаторов С4 и С5 на выходе соответствующего интегратора появляются напряжения U_U+ = U_C4 на 4 и U_U– = U_С5 на 4^'. Значения U_U+ и U_U– пропорциональны длительности положительных и отрицательных сигналов совпадения U_U+ = t_СП+, а U_U– = t_СП– . Каждое из этих напряжений нарастает на обкладках конденсаторов С интеграторов 4 и 4' по экспоненте, имеющей в начальной части линейный характер. После исчезновения напряжения, фиксирующего совпадение входных величин (U_U+ и U_U–), конденсатор интегратора разряжается.

С интеграторов оба напряжения приходят на вход аналогового сумматора (R16, R17), где происходит их сложение. Напряжения U_U+ и U_U–, как и результирующее напряжение U_Σ, равное их сумме, имеют пилообразный характер (рис.2.70, б).

С выхода сумматора результирующее напряжение U_Σ подводится к блоку 5 – реагирующему элементу РЭ фазосравнивающей схемы ФСС, который выполняется в виде порогового компаратора релейного действия триггера Шмитта. Триггер срабатывает при появлении на его входе напряжения U_Σ = U_ОП, значение которого соответствует продолжительности времени совпадения t_СП ≥ 0,005 с (что имеет место, когда сдвиг фаз между U_I, и U_II равен 90°). При этом условии U_Σ ≥ U_ОП порога триггера, и на выходе РЭ появляется сигнал о трицательного знака U_{вых РЭ} = –U_max. Этот сигнал поступает на транзисторный усилитель 6, под действием которого промежуточное реле усилителя К срабатывает и замыкает контакт,

Принципиальная фазосравнивающая схема реле РМ-11 приведена на рис.2.71, в. Реле типа РМ-12 отличается от приведенной схемы только в части схемы блоков 1 и 2, поскольку оно имеет регулировку чувствительности и другой φ_м.ч. Схема блока 1 (рис.2.71, а) состоит из промежуточного трансформатора напряжений (TVL) и двух фазосдвигающих контуров R1, С1 и С2, подключаемых ко вторичной обмотке TVL переключателями SB1, SB3 или SB2, SB4. Трансформатор TVL преобразует U_Р (блок 1) в пропорциональное ему напряжение kU_Р требуемого уровня, а фазосдвигающие контуры обеспечивают получение одного из двух заданных значений угла максимальной чувствительности φ_м.ч. = –35° (при замыкании SB1, SB3) и φ_м.ч. = –45° (при замыкании SB2 и SB4). Преобразователь тока I_P (блок 2) состоит из промежуточного трансформатора тока (TAL), замкнутого на R2 (рис.2.71, б). Напряжение U_Р на зажимах R2 пропорционально току I_P и совпадает с ним по фазе. К TAL подключены: стабилитроны VD1 и VD2, ограничивающие напряжение на R2 при больших токах I_P; контур R3, С3, VD3, VD4, о существляющий коррекцию φ_м.ч при искажении формы вторичного напряжения TAL; контур R4, С4, отфильтровывающий высшие гармоники в токе I_P.

В результате преобразования входных величин I_Р и U_P на выходе блока 1 появляется напряжение U_I, а блока 2 — U_II. Эти напряжения поступают на ФСС (рис.2.71, в) который осуществляет фиксацию совпадения знаков сравниваемых напряжений U_I и U_II, измерение времени их совпадения t_СП и сравнение его с заданным значением.

Схему можно разделить на три части. Первой частью ФСС является схема, фиксирующая совпадение знаков мгновенных значений U_I и U_II. Она выполнена на транзисторах VT1 и VT2, диодах VD3-VD6, резисторах R6-R9. Диоды VD3-VD6 исполняют функции ключа, пропускающего на базы VT1 и VT2 управляющие их работой сигналы положительного знака, уровень которых зависит от сопротивлений R6-R9. Выходные сигналы схемы совпадения знаков сравниваемых напряжений U₁ и U₂ снимаются с коллекторов транзисторов VT1 и VT2 в точках К1 и К2 и поступают на вторую часть ФСС — интеграторы (блоки 4 и 4' на рис.2.70, а), фиксирующие длительность совпадения знаков сравниваемых величин t_СП. Интегратор, получающий сигнал с коллектора VT1, состоит из С4, R12, R14, VD9. Интегратор, связанный с коллектором VT2, состоит из C5,R13,R15, VD10.

К выходу интеграторов (в точках m и n) подключен диодный мост VS1, ограничивающий уровни напряжений, снимаемых с конденсаторов С4 и С5. Выходные сигналы интеграторов U_C4 и и U_С5 поступают на суммирующие сопротивления R16 и R17 аналогового сумматора. Суммарное напряжение U_Σ, снимаемое со средней точки сумматора, поступает на третью часть ФСС – инвертирующий вход порогового компаратора А1 с положительной ОС (ПОС) (триггер Шмитта на ОУ). Обратная связь триггера А1 выполнена на делителе напряжения из R19, R21, R22 и диодах VD15 и VD16. В качестве порогового напряжения срабатывания U_ОП.В и возврата U_ОП.В триггера на Н-вход ОУ подается напряжение, снимаемое с R21 и R22. Диоды VD15 и VD16 разделяют цепи срабатывания и возврата. Выход триггера ОУ связан с выходным блоком (усилителем), состоящим из транзисторов VT3, VT4 и промежуточного реле типа РП-13 или геркона РПГ-5 (КL1) (рис.2.71, г). Реле КL1 срабатывает при появлении на выходе триггера А1 сигнала отрицательного знака, означающего, что РНМ сработало.

Фазосравнивающая схема и схема выходного блока питаются от стабилитронного делителя, включенного между плюсом и минусом напряжения постоянного тока 220 или 110 В: на делителе имеются ответвления ± 28, + 10, –5 и 0 В. Предусмотрена возможность использования в качестве источника питания выпрямленного напряжения, получаемого с помощью комбинированного блока питания, включаемого на напряжение и ток сети.

Работа элементов ФСС. При появлении входных сигналов I_Р и U_P на входе схемы совпадения ФСС появляются сравниваемые напряжения U_I и U_II. Поведение транзисторов VT1 и VT2 будет определяться состоянием диодов VD3-VD6, через которые на базы транзисторов поступает управляющий сигнал с полярностью входных сигналов U_I и U_II, приходящих на анодный вход диодов в точках а и b, с и d.

При положительной полуволне входного сигнала, например U_I, один вход источника сигнала (связанный с точкой b) в течение этого полупериода будет иметь положительный потенциал (+), потенциал второго входа а (относительно первого) будет отрицательным (–) (рис.2.71, в). При указанной полярности во время положительной полуволны диод VD5 будет открыт и через него на базу VT2 пройдет сумма двух положительных сигналов: от источника входного сигнала + U_I и от источника питания + Е_П. Диод VD3 будет заперт, так как точка а имеет отрицательный потенциал, под действием которого VT1 закрыт.

Аналогично при положительной полярности U_II (с учетом стрелки на рис.2.71, б), показывающей направление положительного напряжения U_II, точка d связана с входом, имеющим положительный потенциал, поэтому диод VD6 будет открыт и пропустит суммарный положительный сигнал на базу транзистора VT2, под действием которого он будет открыт. Точка с связана с входом, имеющим отрицательный потенциал, следовательно, диод VD4 закрыт.

Под действием отрицательного напряжения смещения (–S_B) транзистор VT1 будет закрыт. Следовательно, при совпадении положительных знаков мгновенных значений U_I и U_II один транзистор VT2 будет полностью открыт положительным напряжениям, поступающим на его базу через диоды VD5 и VD6, а второй транзистор VT1 будет заперт.

При совпадении сравниваемых сигналов отрицательного знака стрелки, обозначающие полярность напряжений U_I и U_II будут направлены противоположно показанным на рис.2.71 в, соответственно изменится полярность точек а, b, с, d. В результате этого транзистор VT1 откроется, а VT2 закроется. Таким образом, при совпадении знаков сравниваемых напряжений (U_I и U_II) во время положительных полуволн закрыт транзистор VT1 и открыт VT2, а во время отрицательных полуволн VT2 закрыт, VT1 открыт.

При различной полярности сравниваемых входных сигналов оба транзистора будут открыты одновременно, при этом их выходные сигналы (напряжения на коллекторах) равны нулю.

Во время одновременного открытия обоих транзисторов реле не должно работать, а при поочередном открытии VT1 и VT2 (одного – при совпадении положительных знаков U_I и U_II, а второго – отрицательных) реле должно сработать, если продолжительность совпадения соответствует заданной (t_СП = t_З), значение t_З определяется порогом срабатывания U₀ триггера А1.

Выходной сигнал схемы совпадения в виде напряжения U_K1 и U_K2, снимаемого с коллекторов VT1 и VT2, приходит на интеграторы, измеряющие продолжительность сигналов: U_K1 – совпадения сигналов положительного знака, U_K2 – отрицательного.

Работа интеграторов. Когда знаки сравниваемых напряжений совпадают, один из транзисторов будет закрыт и его выходное коллекторное напряжение в точке К1 (или К2) близко к напряжению Е_П источника питания. В этом режиме выходное напряжение закрытого транзистора, поступившее на соответствующий интегратор, начинает заряжать его конденсатор. Допустим, что совпадают положительные значения U_I и U_II и закрыт транзистор VT1. Тогда под действием U_K1 заряжается С4 током, проходящим по контуру, образованному R12, через точку К1 и открытый диод VD9. В это же время через второй открытый транзистор VT2 начинается разряд С5, поскольку напряжение коллектора открытого транзистора U_K2 ≈ 0. Ток разряда противоположен току заряда (разряд происходит по контуру R15, VT2, нулевая шинка, шинка + 10 В, нижняя обкладка конденсатора С5). Напряжение U_C4 на заряжающемся конденсаторе С4 нарастает, его конечное значение зависит от времени совпадения t_СП знаков U_I и U_II в течение каждого полупериода промышленной частоты: U_C4 = t_СП.

Напряжение на разряжающемся С5 снижается, его конечное значение в пределах полупериода также зависит от t_СП: U_C5 = 0,5T– t_СП (рис.2.70, б).

После прекращения совпадения положительных полуволн VT1 снова открывается, С4 начинает разряжаться через R14 и открытый VT1, диод VD9 в этом режиме закрыт.

При совпадении по времени отрицательных полуволн U_I и U_II транзистор VT2 закрывается, С5 заряжается через R15 и диод VD9 (рис.2.71, в). Заряд и разряд С4, С5 происходит по экспоненциальному закону, но в начальной части экспонента имеет линейный характер, поэтому на диаграмме рис.2.70, б характер изменения U_C4 и U_C5 показан в виде прямых линий.

Выходное напряжение интеграторов U_C4, U_C5 приходит на сумматор из R16 и R17 и с их общей точки Σ поступает на интегрирующий вход А1 триггера Шмитта. Сопротивление R16 = R17, поэтому суммарное напряжение точки Σ равно полусумме напряжений конденсаторов U_Σ = 0,5(U_C4 + U_C5).

Пока напряжение U_Σ, поступающее на И-вход А1, меньше опорного напряжения, установившегося на Н-входе (U_ОП.С = U_R21). на выходе А1 остается неизменным напряжение положительной полярности U_{вых А1} = + U_max. Опорное напряжение выбирается так, чтобы реле начинало работать при сдвиге фаз ψ между U_I и U_II, равном 90°, чему соответствует время совпадения, равное четверти периода промышленной частоты, т.е. t_СП = 0,005 с. При сдвиге фаз ψ = 90°, но меньше 270°, напряжение на И-входе становится равным или больше опорного: U_Σ ≥ U_ОП. При достижении этого уровня триггер А1 переключается, и на его выходе вместо положительного сигнала появляется U_{вых А1} = –U_max, имеющее отрицательный знак. Это напряжение поступает на базу транзистора VT3 выходного блока (рис.2.71, г), транзистор закрывается и дешунтирует обмотку (реле) KL1, оно срабатывает и подает командный выходной сигнал о действии РНМ.

После срабатывания А1 и появления на его выходе напряжения отрицательной полярности U_max диод VD15 закрывается (рис.2.71, в), a VD16 открывается. В результате этого на Н-входе появляется новое пороговое напряжение U_R22. Это напряжение определяет уровень напряжения на И-входе, необходимого для возврата триггера А1 в исходное состояние. Пороговое напряжение возврата U_ОП.В выбирается ниже U_ОП.С чтобы обеспечить непрерывность выходного сигнала А1, когда входной сигнал U_Σ пилообразной формы близок к напряжению срабатывания U_ОП.С.

Ограничитель напряжения. При заряде С4 и С5 (рис.2.71, в) уровень напряжения между их обкладками (U_C4, U_C5) зависит от значения t_СП и будет наибольшим при ψ = 0, т. е. когда фазы U_I и U_II совпадают, а сдвиг фаз между U_Р и I_P равен φ_м.ч (в этом случае t_СП = 0,5 периода). Для ограничения роста напряжения U_С используется мост VS1. Напряжения U_C4 и U_C5 подаются на точки m и n моста (рис.2.71, в). Два других зажима моста подключаются: один – к шинке +10 В, второй – к резистору R23. Допустим, что идет заряд С4. Пока U_C4 мало, диоды VD11 и VD12 моста VS1 заперты положительным напряжением U₂₃, поступающим с R23, – это напряжение является предельным U_ОГР, ограничивающим верхнее значение U_C4. Как только нарастающее напряжение U_C4 достигает уровня U_ОГР = U₂₃, диод VD12 моста открывается и рост напряжения на С4 останавливается на уровне U_C4 = U_ОГР + U_Д, где U_Д – падение напряжения в открытом диоде. Аналогично происходит ограничение U_C5 на конденсаторе С5 с помощью диода VD11. Ограничитель VS1 используется в схеме реле и при разряде конденсаторов для ограничения минимального уровня. Как видно из схемы (рис.2.71, в), нижняя обкладка конденсаторов С4 и С5 жестко соединена с шинкой +10 В, а верхняя связана с точками m и n диодного моста. При полном открытии одного из транзисторов схемы совпадения, например VT1, на конденсаторе С4 появится напряжение U_К1 = 0, и он начнет разряжаться. Тогда диод VD14 моста VS1 откроется и зашунтирует С4, так как анодный вход диода VD114 соединен с шинкой +10 В, а точка n моста получила нулевой потенциал. Следовательно, предельным уровнем напряжения при разряде С4 будет падение напряжения в открытом диоде VD14, взятое с обратным знаком.

При разряде С5 предельным значением U_С5 будет падение напряжения в открытом диоде VD13, взятое с обратным знаком.

Основными параметрами реле РМ-11 являются: время срабатывания при φ = φ _м.ч = 30 мс; чувствительность U_Р.СР = 0,25 В; ток срабатывания I_CP = 0,25I_НОМ; потребление цепи переменного тока S_Ц.Т = 0,15 В•А, переменного напряжения S_Ц.Т = 0,1 В•А, цепей оперативного тока S_О.T =10 Вт.